自动控制元件及线路-惯性传感器及总结

自动控制元件及线路测量元件

惯性传感器

哈尔滨工业大学空间控制与惯性技术研究中心伊国兴

导航

将与动物体从甲地导引到目的地乙地的技术。

导航是一门古老而又年轻的技术。

古代导航

航海

惯性导航

惯性导航是利用惯性敏感

元件（陀螺仪、加速度计）

测量载体相对于惯性空间

的线运动和角运动参数，

在给定的初始条件下，输

出载体的姿态参数和导航

定位参数。

惯性导航基本原理

惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础的，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置信息等。

陀螺仪

1765，俄国数学家和物理学

家欧拉发表《刚体绕定点运

动理论》，导出刚体绕定点

转动的动力学方程，为陀螺

仪理论奠定了基础。

1778，法国科学家拉格朗日

建立了在重力力矩作用下定

点转动刚体的运动微分方程

组。

1852年法国科学家Foucault研制成世界上第一台试验用陀螺罗经。

1908年Anschutz在德国、1909年

Sperry在美国，先

后制成了用于舰船

导航的陀螺罗经。

这可以作为陀螺仪

应用技术的形成和

发展的开端。

二战末期，在德国的V-2火箭上第一次装上了初级的惯性制导系统。

1936年开始研制共发射1千3百多枚。

冯·布劳恩博士。

50年代MIT和北美航空公司先后研制出惯性级精度的液浮陀螺仪和三轴陀螺平台的惯性系统方案(Charls Stark Draper)。

1954年惯导系统在飞机上试验成功（穿越美国）。

1958年“舡鱼”从珍珠港附近潜入深海，依靠惯导系统穿越北极到达英国波特兰港，历时21天，航程8146mile。这表明惯性导航技术在50年代已经趋于成熟。

60年代初期，出现了比液

浮陀螺结构简单、成本低

的动力调谐陀螺。

60年代末期用液浮陀螺仪、气浮陀螺仪和动力调谐陀

螺仪构成的平台式惯导系

统大量装备各种载体。

20世纪50年代初美国伊利

诺伊大学诺尔德西克

(Nordseick A. T.)教授提

出静电陀螺仪概念。

1976年美国霍尼韦尔公司

的SPN-GEANS装备B52，系

统长时间定位误差0.02n mile/h。

70年代以静电陀螺仪构成的高精度平台式惯导系统进入实用阶段。

激光陀螺仪达到了惯性级精度。

相继出现了光纤陀螺仪和半球谐振陀螺仪。

80年代，以激光陀螺仪构成的捷联式惯导系统获得了工程应用，这是惯性导航技术发展进程中又一个重要的

里程碑。

90年代以来，采用微电子

机械加工技术制造的各种微传感器和微机电惯性仪表脱颖而出，年增长速度达到30%。

硅微惯性技术

硅微惯性技术

高速转子：质量不平衡易受加速度影响、需要预热

更高要求：减少体积、质量、功耗、成本，增加可靠性、降低维修费用减少寿命周期成本

非转子陀螺：激光陀螺、光纤陀螺、半球谐振陀螺、石英音叉陀螺、微机械陀螺

加速度计：振子型、光子型和电子型

MEMS技术、单晶硅

硅微惯性仪表特点

硅微惯性仪表特点

微型化、集成化

体积小、重量轻

低成本、批量化

高可靠、低功耗

数字化、智能化

范围宽、限制少

惯性技术发展历史

惯性技术应用(II)

惯性技术应用(I)

惯性技术应用(III)

惯性技术发展的制约因素

导航的种类

惯性导航

无线电导航

地磁导航

地形匹配导航

星光导航

卫星导航

组合导航

无线电导航

不受时间、天气限

制，精度高，作用距

离远、方定位时间

短，设备简单可靠；

易被发现和干扰，需

要载体外的导航台支

持，易发生故障

地磁导航

无源自主、抗干扰能

力强、无积累误差、

精度适中

算法复杂、需要补偿、

需预先测量地磁场

地形匹配导航

精度高，不受气象条

件的影响

对地形有要求，远程

飞行困难

自主性、隐蔽性、误

差不累计

成本高、算法复杂、姿态测量

高精度、全天候、高效率、多功能、不发散

使用范围受限、易受

干扰、非自主

惯性导航的特点

原理简单，精度高

对导航计算机要求低

独立自主，不依赖于任何外部信息

不辐射能量，隐蔽性好

工作范围广，空中、地表、地底、水下皆可 对环境、天气等无要求，能全天候工作

不易被电子干扰

距离越远，时间越长，误差越大

组合导航

应用一个或多个辅助敏感器与惯性系统组合使惯性器件漂移引起的位置误差达到有界，从而提高系统的性能

深组合、多传感器容错组合、多模态、多功能、智能化

微惯性仪表特点

微型化、集成化

体积小、重量轻

低成本、批量化

高可靠、低功耗

数字化、智能化

范围宽、限制少